ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И МЕТОДЫОБЕСПЕЧЕНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ АВТОМОБИЛЕЙ
2.1. ТЕХНИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
1. ПОНЯТИЕ О ТЕХНИЧЕСКОМ СОСТОЯНИИ
Автомобиль может участвовать в транспортном процессе и приносить определенный доход, если он технически исправен и находится в работоспособном состоянии.
Техническое состояние автомобиля (агрегата, механизма, соединения) определяется совокупностью изменяющихся свойств его элементов, характеризуемых текущим значением конструктивных параметров Y, (табл. 2.1).
Обычно текущие значения конструктивных параметров связывают с наработкой.
Наработка - продолжительность работы изделия, измеряемая единицами пробега (километры), времени (часы), числом циклов.
Различают наработку с начала эксплуатации изделия, наработку до определенного состояния (например, предельного), наработку интервальную и др.
На автомобильном транспорте, как правило, наработка автомобилей исчисляется в километрах пробега (l), реже (специальные автомобили, внедорожные карьерные самосвалы) - в часах (t).
Наработка технологического оборудования исчисляется обычно в часах.
По мере увеличения наработки l, t (рис. 2.1) параметры технического состояния изменяются от номинальных Ун, свойственных новому изделию, до предельных Уп, при которых дальнейшая эксплуатация изделия по техническим, конструктивным, экономическим, экологическим или другим причинам недопустима.
Рис. 2.1. Схема изменения параметров технического состояния
ЗР - зона работоспособности;
ЗО - зона отказов;
ЗУ- зона упреждения отказов;
Упд - предельно допустимое значение параметра;
lр - ресурс изделия;
lу - ресурс упреждения
На рис. 2.2 приведены два характерных варианта изменения параметров технического состояния по наработке: I - увеличение; II - сокращение.
Величины номинальных, предельных и предельно допустимых Yпд значений параметров технического состояния устанавливаются законами, государственными стандартами, постановлениями правительства (приложение 3), нормативно-техническими и проектно-конструкторскими документами, систематизируются в справочных изданиях, в том числе и международных (приложение 4).
Рис. 2.2. Варианты изменения геометрических параметров деталей
1 - шейка (втулка), 2 - вал, 3 - диск;
YiI - увеличиваются, YiII - сокращаются в процессе работы автомобиля
Техническое состояние ТМО. Конструктивные и диагностические параметры (выводы)
Совокупность отклонений от номинала параметров состояния ТМО, определяющую уровень его работоспособности и исправности, называют техническим состоянием ТМО.
При работе ТМО взаимодействует с окружающей средой, а его элементы взаимодействует между собой. Взаимодействие между элементами характеризуется физическими величинами - конструктивными параметрами (параметрами технического состояния): размерами, взаимным положением деталей и их перемещением, зазорами между ними и т.д.
Эти величины могут быть измерены соответствующими физическими величинами (линейными, тепловыми, электрическими и т.п.).
В процессе эксплуатации ТМО параметры технического состояния изменяются от номинальных значений до предельных, обусловленных технико-экономической целесообразностью дальнейшей эксплуатации.
Возможность непосредственного измерения текущих значений конструктивных параметров без частичной или полной разборки агрегатов и механизмов ограничена. Поэтому при определении технического состояния часто пользуются косвенными величинами или так называемыми диагностическими параметрами, которые связаны с конструктивными параметрами и дают о них достаточную информацию.
Обычно различают:
– параметры выходных рабочих процессов, определяющие основные функциональные свойства ТМО или агрегата (мощность двигателя, тормозной путь);
– параметры сопутствующих процессов (нагрев, вибрация, содержание продуктов износа в масле);
– геометрические (конструктивные) параметры, определяющие связи между деталями в агрегате или механизме и связи между отдельными агрегатами и механизмами (зазор, ход, прессовая посадка и др.).
2. ПРИЧИНЫИ ПОСЛЕДСТВИЯ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ
Изменение технического состояния обусловлено работой узлов механизмов, случайными причинами, а также воздействием внешних условий работы и хранения автомобиля.
К случайным причинам относятся скрытые дефекты, перегрузки конструкции и т. п.
Основные причины изменения конструктивных параметров и технического состояния:
нагружение элементов;
взаимное перемещение элементов;
воздействие тепловой и электрической энергии;
воздействие химически активных компонентов;
воздействие внешней среды (влага, ветер, температура, солнечная радиация);
воздействие оператора и др.
Последствия и формы изменения конструктивных параметров во времени: изнашивание; коррозия; усталостные разрушения; пластические деформации; температурные разрушения и изменения; старение и др.
Основными постоянно действующими причинами изменения технического состояния деталей и автомобиля в целом являются изнашивание, пластические деформации, усталостные разрушения, коррозия; физико-химические изменения материала деталей (табл. 2.2).
2. Основные причины изменения технического состояния ТМО
Изменение технического состояния ТМО, агрегатов, механизмов происходит под влиянием:
– постоянно действующих причин, обусловленных работой самих механизмов;
– случайных причин, например, скрытые дефекты конструкции, ошибки водителей, неожиданные перегрузки конструкции, превосходящие допустимые и т.д.;
– внешних условий, при которых работает или хранится ТМО.
Изнашивание. Процесс изнашивания возникает под действием трения, зависящего от материала и качества обработки поверхностей, смазки, нагрузки, скорости относительного перемещения поверхностей и теплового режима работы сопряжения.
Изнашивание - это процесс разрушения и отделения материала с поверхности детали и (или) накопления ее остаточной деформации при трении, проявляющийся в постепенном изменении размеров и формы деталей. Результат изнашивания, определяемый в установленных единицах, называется износом, который может быть линейным, объемным, массовым.
Интенсивность изнашивания - это относительные величины износа (отношение износа к пути трения или показателю, связанному с работой изделия, например километру пробега или часу работы автомобиля, числу циклов и т.д.).
Обычно в практике ТЭА выделяют абразивное, усталостное, коррозионно-эро-зионное, окислительное, электроэрозионное изнашивание, а также изнашивание при заедании, фретинге и фретинг-коррозии. Изнашивание при фретинге, абразивное, эрозионное и усталостное относятся к механическому виду изнашивания, а окислительное и при фретинг-коррозии - к коррозионно-механическому.
При преимущественно механическом разрушении поверхности, когда химические, тепловые и другие процессы не имеют решающего значения, интенсивность изнашивания, по К.В. Фролову и Ю.Н. Дроздову, определяется следующими группами обобщенных факторов (рис. 2.3):
Фсм — определяет относительную толщину смазочного слоя;
Фн - характеризует напряженное состояние контакта, площадь фактического контакта сопряженных пар трения;
Фу - характеризует усталостную прочность трущихся поверхностей;
Фш - определяет влияние шероховатости на процесс изнашивания.
Рис. 2.3. Зависимость интенсивности изнашивания J от обобщенных безразмерных факторов
Абразивное изнашивание является следствием режущего или царапающего действия поверхностей трения и твердых частиц, находящихся между ними. Такие частицы, попадая извне в виде пыли и песка между трущимися деталями (например, тормозными накладками колодок и барабанами) или в смазочные материалы открытых узлов трения (шкворневое соединение, рессорные шарниры), резко увеличивают их износ. В ряде механизмов, например кривошипно-шатунном, в качестве абразивных частиц выступают также сами продукты изнашивания, отделившиеся от трущихся деталей.
Эрозионное изнашивание происходит в результате воздействия на поверхность потока жидкости, газа или твердых частиц. Такому изнашиванию на автомобиле подвержены в первую очередь рабочие поверхности тарелок выпускных клапанов двигателя, жиклеры карбюратора.
Усталостное изнашивание состоит в том, что поверхностный слой материала в результате трения и циклической нагрузки становится хрупким и разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, образуя трещины и ямки выкрашивания (питтинг). Такой вид изнашивания может наблюдаться на беговых дорожках подшипников, шестерен, зубьях.
Изнашивание при заедании происходит в результате схватывания, глубинного вырывания материала, переноса его с одной поверхности на другую и воздействия возникших неровностей на сопряженную поверхность. Оно приводит к образованию глубоких борозд, наростов, оплавлений, задирам, заклиниванию и разрушению механизмов. Такое изнашивание обуславливается наличием местных контактов между трущимися поверхностями, на которых вследствие больших нагрузок и скоростей происходят разрыв масляной пленки, сильный нагрев и "сваривание" частиц металла.
При дальнейшем относительном перемещении поверхностей происходит разрыв связей. Типичный пример - заклинивание коленчатого вала при недостаточной смазке.
Изнашивание при фретинге - это механическое изнашивание соприкасающихся деталей при возвратно-поступательных перемещениях с малыми амплитудами.
Если при этом агрессивно воздействует среда, то происходит изнашивание при фретинг-коррозии. Такое изнашивание может происходить в местах контакта вкладыша шеек коленчатого вала и постели в картере и крышке, в заклепочных, болтовых, шлицевых и шпоночных соединениях, рессорах.
Электроэрозионное изнашивание проявляется в эрозионном изнашивании поверхности в результате воздействия разряда при прохождении электрического тока, например между электродами свечи зажигания.
Пластические деформации и разрушения. Такие повреждения связаны с достижением или превышением пределов текучести или прочности соответственно у вязких (сталь) или хрупких (чугун) материалов. Обычно этот вид разрушений является следствием либо ошибок при расчетах, либо нарушений правил эксплуатации (перегрузки, неправильное управление автомобилем, дорожно-транспортные происшествия и т.п.). Иногда пластическим деформациям или разрушениям предшествует механическое изнашивание, приводящее к изменению геометрических размеров и сокращению запасов прочности детали.
Усталостные разрушения. Этот вид разрушений возникает при циклическом приложении нагрузок, превышающих предел выносливости металла детали. При этом происходят постепенное накопление и рост усталостных трещин, приводящие при определенном числе циклов нагружения к усталостному разрушению деталей. Совершенствование методов расчета и технологии изготовления автомобилей (повышение качества металла и точности изготовления, исключение концентраторов напряжения) привело к значительному сокращению случаев усталостного разрушения деталей. Как правило, оно наблюдается в экстремальных условиях эксплуатации (длительные перегрузки, низкие или высокие температуры) в рессорах, полуосях, рамах.
Коррозия. Это явление происходит вследствие агрессивного воздействия среды на детали (ржавление), приводящего к окислению металла и, как следствие, к уменьшению прочности и ухудшению внешнего вида. Основными активными агентами внешней среды, вызывающими коррозию, являются соль и другие химические вещества, которыми обрабатывают дороги зимой, кислоты, содержащиеся в воде и почве, а также компоненты, входящие в состав отработавших газов автомобилей, и их химические соединения. Коррозия главным образом поражает детали кузова, кабины, рамы. Коррозия деталей кузова, расположенных снизу, сопровождается абразивным изнашиванием в результате воздействия на поверхность при движении автомобиля абразивных частиц песка, гравия. Способствует коррозии сохранение влаги на металлических поверхностях, в том числе под слоем дорожной грязи, что особенно характерно для всякого рода скрытых полостей и ниш.
Коррозия способствует усталостному изнашиванию и разрушению, так как создает на поверхности металла концентраторы напряжения в виде коррозионных язв. Такой вид разрушений наблюдается, например, в местах сварки, крепления кронштейнов рессор. Применительно к автомобилям различают местную коррозию, поражающую в основном кузовные панели, и общую, результатом которой является, кроме того, разрушение несущих конструкций кузова или рамы (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Тенденции изменения местной (1) и общей (2) коррозии при старении легковых автомобилей
А - количество автомобилей, подверженных коррозии
Старение. Техническое состояние деталей и эксплуатационных материалов изменяется под действием внешней среды. Так, резинотехнические изделия теряют прочность и эластичность в результате окисления, термического воздействия (разогрев или охлаждение), химического воздействия масла, топлива и жидкостей, а также солнечной радиации и влажности. В процессе эксплуатации свойства смазочных материалов и эксплуатационных жидкостей ухудшаются в результате накопления в них продуктов износа, изменения вязкости и потери свойств присадок.
Детали и материалы изменяются не только при их использовании, но и при хранении: снижаются прочность и эластичность, например, резинотехнических изделий; у топлива, смазочных материалов и жидкостей наблюдаются процессы осадков.